Nous vivons à une époque d’exploration spatiale renouvelée, où plusieurs agences prévoient d’envoyer des astronautes sur la Lune dans les années à venir. Cela sera suivi au cours de la prochaine décennie par des missions en équipage vers Mars par la NASA et la Chine, qui pourraient être rejointes par d’autres nations d’ici peu. Ces missions et d’autres qui emmèneront les astronautes au-delà de l’orbite terrestre basse (LEO) et du système Terre-Lune nécessitent de nouvelles technologies, allant du maintien de la vie et de la protection contre les rayonnements à la puissance et à la propulsion. Et dans ce dernier cas, la Propulsion Nucléaire Thermique et Nucléaire Electrique (NTP/NEP) est un concurrent de choix !
La NASA et le programme spatial soviétique ont passé des décennies à rechercher la propulsion nucléaire pendant la course à l’espace. Il y a quelques années, la NASA a relancé son programme nucléaire dans le but de développer une propulsion nucléaire bimodale – un système en deux parties composé d’un élément NTP et NEP – qui pourrait permettre des transits vers Mars en 100 jours. Dans le cadre du programme NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) pour 2023, la NASA a sélectionné un concept nucléaire pour le développement de la phase I. Cette nouvelle classe de système de propulsion nucléaire bimodale utilise un «cycle de topping du rotor à ondes» et pourrait réduire les temps de transit vers Mars à seulement 45 jours.
La proposition, intitulée “Bimodal NTP/NEP with a Wave Rotor Topping Cycle”, a été présentée par le professeur Ryan Gosse, responsable du programme Hypersonics à l’Université de Floride et membre de l’équipe FLARE (Florida Applied Research in Engineering). . La proposition de Gosse est l’une des 14 sélectionnées par la NAIC cette année pour le développement de la phase I, qui comprend une subvention de 12 500 $ pour aider à faire mûrir la technologie et les méthodes impliquées. D’autres propositions comprenaient des capteurs innovants, des instruments, des techniques de fabrication, des systèmes d’alimentation, etc.
La propulsion nucléaire se résume essentiellement à deux concepts, qui s’appuient tous deux sur des technologies largement testées et validées. Pour la Propulsion Nucléaire-Thermique (NTP), le cycle consiste en un réacteur nucléaire chauffant de l’hydrogène liquide (LH2) propulseur, le transformant en hydrogène gazeux ionisé (plasma) qui est ensuite canalisé à travers des buses pour générer une poussée. Plusieurs tentatives ont été faites pour tester ce système de propulsion, notamment Project Rover, un effort de collaboration entre l’US Air Force et la Commission de l’énergie atomique (AEC) lancé en 1955.
Les fusées thermiques nucléaires bimodales conduisent des réactions de fission nucléaire similaires à celles utilisées dans les centrales nucléaires et avec les grands navires de guerre (porte-avions et sous-marins). Comme pour toutes les versions de NTP, le cycle consiste en un réacteur nucléaire qui chauffe un propulseur comme le deutérium (H2) qui est ensuite canalisé à travers des buses pour créer une poussée. Plusieurs tentatives ont été faites pour tester ce système de propulsion, notamment Project Rover, un effort de collaboration entre l’US Air Force et la Commission de l’énergie atomique (AEC) lancé en 1955.
En 1959, la NASA prend le relais de l’USAF et le programme entre dans une nouvelle phase dédiée aux applications spatiales. Cela a finalement conduit au Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA), un réacteur nucléaire à noyau solide qui a été testé avec succès. Avec la fermeture de l’ère Apollo en 1973, le financement du programme a été considérablement réduit, ce qui a conduit à son annulation avant que des essais en vol puissent être effectués. Pendant ce temps, les Soviétiques ont développé leur propre concept NTP (RD-0410) entre 1965 et 1980 et ont effectué un seul test au sol avant l’annulation du programme.
La propulsion nucléaire-électrique (NEP), quant à elle, repose sur un réacteur nucléaire pour fournir de l’électricité à un propulseur à effet Hall (moteur ionique), qui génère un champ électromagnétique qui ionise et accélère un gaz inerte (comme le xénon) pour créer plonger. Les tentatives de développement de cette technologie incluent l’Initiative des systèmes nucléaires (NSI) de la NASA. Projet Prometheus (2003 à 2005). Les deux systèmes présentent des avantages considérables par rapport à la propulsion chimique conventionnelle, notamment une cote d’impulsion spécifique (Isp) plus élevée, un rendement énergétique et une densité d’énergie pratiquement illimitée.
Alors que les concepts NEP se distinguent pour fournir plus de 10 000 secondes d’Isp, ce qui signifie qu’ils peuvent maintenir la poussée pendant près de trois heures, le niveau de poussée est assez faible par rapport aux fusées conventionnelles et au NTP. Le besoin d’une source d’énergie électrique, dit Gosse, soulève également la question du rejet de chaleur dans l’espace – où la conversion de l’énergie thermique est de 30 à 40 % dans des circonstances idéales. Et bien que les conceptions NTP NERVA soient la méthode préférée pour les missions en équipage vers Mars et au-delà, cette méthode a également des problèmes pour fournir des fractions de masse initiale et finale adéquates pour les missions delta-v élevées.
C’est pourquoi les propositions qui incluent les deux modes de propulsion (bimodal) sont considérées comme favorables, car elles combineraient les avantages des deux. La proposition de Gosse appelle à une conception bimodale basée sur un réacteur NERVA à noyau solide qui fournirait une impulsion spécifique (Isp) de 900 secondes, soit le double des performances actuelles des fusées chimiques. Le cycle proposé par Gosse comprend également un compresseur à ondes de pression – ou Wave Rotor (WR) – une technologie utilisée dans les moteurs à combustion interne qui exploite les ondes de pression produites par les réactions pour comprimer l’air d’admission.
Lorsqu’il est associé à un moteur NTP, le WR utiliserait la pression créée par le chauffage du réacteur de la LH2 combustible pour comprimer davantage la masse réactionnelle. Comme le promet Gosse, cela fournira des niveaux de poussée comparables à ceux d’un concept NTP de classe NERVA mais avec un Isp de 1400-2000 secondes. Lorsqu’il est associé à un cycle NEP, a déclaré Gosse, les niveaux de poussée sont encore améliorés :
« Couplé à un cycle NEP, le rapport cyclique Isp peut encore être augmenté (1800-4000 secondes) avec un ajout minimal de masse sèche. Cette conception bimodale permet un transit rapide pour les missions habitées (45 jours vers Mars) et révolutionne l’exploration de l’espace lointain de notre système solaire.
Basée sur la technologie de propulsion conventionnelle, une mission avec équipage vers Mars pourrait durer jusqu’à trois ans. Ces missions seraient lancées tous les 26 mois lorsque la Terre et Mars sont au plus près (c’est-à-dire une opposition de Mars) et passeraient au moins six à neuf mois en transit. Un transit de 45 jours (six semaines et demie) réduirait la durée globale de la mission à des mois au lieu d’années. Cela réduirait considérablement les risques majeurs associés aux missions vers Mars, notamment l’exposition aux radiations, le temps passé en microgravité et les problèmes de santé connexes.
En plus de la propulsion, il existe des propositions de nouvelles conceptions de réacteurs qui fourniraient une alimentation électrique stable pour les missions de surface de longue durée où l’énergie solaire et éolienne ne sont pas toujours disponibles. Les exemples incluent le réacteur Kilopower de la NASA utilisant la technologie Sterling (KRUSTY) et le réacteur hybride fission / fusion sélectionné pour le développement de phase I par la sélection NAIC 2023 de la NASA. Ces applications nucléaires et d’autres pourraient un jour permettre des missions en équipage vers Mars et d’autres endroits dans l’espace lointain, peut-être plus tôt que nous ne le pensons !
Lectures complémentaires : Nasa
